一種基于QoS綜合匹配的Web服務(wù)選擇方法

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(石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 QoS驅(qū)動(dòng)的Web服務(wù)選擇方法

隨著功能相同而非功能屬性(QoS)不同的Web服務(wù)的增多，如何從中準(zhǔn)確地選出滿足用戶需求的最優(yōu)服務(wù)是研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。很多學(xué)者開(kāi)始研究以QoS屬性作為選擇服務(wù)指標(biāo)的各種方法[1-4]，并取得了一定的成果。

最初的服務(wù)選擇方法是基于QoS屬性值計(jì)算的，通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型計(jì)算出每個(gè)候選服務(wù)的屬性值，選擇屬性值最大的服務(wù)作為最佳服務(wù)[1]，該法缺少語(yǔ)義支持不利于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)。為解決上述問(wèn)題，研究者開(kāi)始將語(yǔ)義中的本體技術(shù)應(yīng)用到服務(wù)選擇研究中[2]，致力于構(gòu)建QoS本體，設(shè)計(jì)基于本體的服務(wù)選擇方法。L Taher et al提出基于QoS相似度的Web服務(wù)選擇方法[3-4]，但它只是考慮了服務(wù)QoS 數(shù)值方面的匹配，缺乏考慮QoS參數(shù)概念的語(yǔ)義相似度。

上述方法的缺點(diǎn)導(dǎo)致用戶花費(fèi)時(shí)間和精力卻篩選不到更符合自身需求的服務(wù)。對(duì)語(yǔ)義和數(shù)值進(jìn)行綜合考量并考慮服務(wù)請(qǐng)求者的個(gè)性化需求，提出了一種基于語(yǔ)義和數(shù)值綜合匹配的Web服務(wù)選擇方法，包含QoS語(yǔ)義和數(shù)值綜合匹配、構(gòu)建多屬性決策矩陣、個(gè)性化服務(wù)選擇這幾個(gè)階段。

2 QoS語(yǔ)義和數(shù)值綜合匹配

考慮到QoS參數(shù)包括QoS概念和QoS數(shù)值兩部分，因此QoS的綜合相似度是由QoS屬性概念的語(yǔ)義相似度和QoS屬性的數(shù)值相似度共同決定的。首先進(jìn)行了兩個(gè)QoS參數(shù)的語(yǔ)義匹配，當(dāng)語(yǔ)義上存在可比性時(shí)，才進(jìn)行下一步的數(shù)值處理和數(shù)值匹配。

2.1 QoS語(yǔ)義匹配

在QoS本體樹(shù)中語(yǔ)義相似度可以用來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)概念的相關(guān)程度。語(yǔ)義相似度隨著語(yǔ)義距離的增大下降速度很快，采用下式為語(yǔ)義相似度的計(jì)算公式[5]

S(ci,cj)=1/edis(ci,cj)

(1)

式中，dis(ci,cj)為本體樹(shù)中概念詞ci與概念詞cj之間的語(yǔ)義距離；S(ci,cj)為本體樹(shù)中概念詞ci與概念詞cj之間的語(yǔ)義相似度。式(1)取值在[0,1]區(qū)間內(nèi)，α為可調(diào)節(jié)參數(shù)。如果ci=cj則dis=0,S(ci,cj)=1; 如果ci≠cj則dis(ci,cj)采用通用余弦相似度度量距離算法[6]計(jì)算，如果dis(ci,cj)=∞,S(ci,cj)=0。

在實(shí)際選擇過(guò)程中，很多不相關(guān)QoS屬性參數(shù)作為本體樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)存在有限語(yǔ)義距離，導(dǎo)致兩者之間語(yǔ)義相似度不為0。如“吞吐率”和“價(jià)格”在語(yǔ)義概念上來(lái)看是沒(méi)有任何比較意義的，但是在本體樹(shù)中，若二者存在語(yǔ)義距離，這導(dǎo)致語(yǔ)義相似度不為0，因此設(shè)計(jì)一個(gè)QoS屬性參數(shù)之間的相容性參數(shù)u來(lái)描述兩個(gè)語(yǔ)義概念是否有比較的必要性。u的取值取決于dis(ci,cj)是否大于由QoS本體的設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出的語(yǔ)義距離的臨界值L，當(dāng)兩個(gè)QoS屬性參數(shù)之間的語(yǔ)義距離大于L時(shí)，u=0；否則，u=1。 因此，語(yǔ)義綜合相似度函數(shù)SSem(ci,cj)為相容性參數(shù)u和語(yǔ)義相似度S(ci,cj)相乘的積，如公式(2)所示。

SSem(ci,cj)=uS(ci,cj)

(2)

式中，S(ci,cj)為兩個(gè)QoS屬性參數(shù)之間的相似度，u為兩個(gè)QoS屬性參數(shù)之間的相容性參數(shù)。引入此公式后，避免了那些沒(méi)有比較意義的QoS屬性比較過(guò)程，提高了效率。

2.2 QoS數(shù)值匹配

本文支持單值、模糊單值、區(qū)間值三種QoS數(shù)值表達(dá)方式。如，響應(yīng)時(shí)間為單值屬性；安全性描述為一個(gè)集合{高，中，低}對(duì)應(yīng)的數(shù)值描述為{3,2,1}，為模糊單值屬性；價(jià)格區(qū)間100元以內(nèi)，為區(qū)間型屬性。本文將數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)一劃歸成精確型單值數(shù)據(jù)來(lái)表示。

2.2.1 QoS數(shù)據(jù)去模糊化

不同QoS屬性參數(shù)特性不同，成本型QoS屬性值越小代表Web服務(wù)質(zhì)量水平越好，例如響應(yīng)時(shí)間、費(fèi)用等；效益型QoS屬性則正好相反，例如吞吐量、可用性等QoS屬性參數(shù)。去模糊化的過(guò)程中要對(duì)這兩種類型的屬性分別處理。

假設(shè)有m個(gè)具有相同功能的Web服務(wù)集合為S={S1,S2,…,Sm}。QoS屬性參數(shù)集合為Q={Q1,Q2,…,Qn}。其中qij=[qijL,qijR]為Web集合中第i個(gè)Web服務(wù)的第j個(gè)QoS屬性的區(qū)間值，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。轉(zhuǎn)化后的相應(yīng)實(shí)數(shù)值設(shè)為qij′。

對(duì)于效益型QoS區(qū)間屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)。轉(zhuǎn)化公式如下

(3)

對(duì)于成本型QoS區(qū)間屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)。轉(zhuǎn)化公式

(4)

2.2.2 QoS數(shù)據(jù)預(yù)處理

最終是通過(guò)多個(gè)屬性綜合值來(lái)評(píng)判服務(wù)的質(zhì)量，采用多屬性決策理論中的比重變換法對(duì)QoS數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理

(5)

式中，qij′表示經(jīng)過(guò)歸一化處理后的QoS數(shù)據(jù)；對(duì)于效益型數(shù)據(jù)qij表示W(wǎng)eb服務(wù)集合中第i個(gè)Web服務(wù)中第j個(gè)QoS屬性參數(shù)的取值；對(duì)于成本型數(shù)據(jù)，qij表示W(wǎng)eb服務(wù)集合中第i個(gè)Web服務(wù)中第j個(gè)QoS屬性參數(shù)取值的倒數(shù)。Q表示效益型和成本型數(shù)據(jù)集合。

2.2.3 QoS數(shù)值匹配

在進(jìn)行完上述兩步處理后，再計(jì)算精確型QoS數(shù)值相似度比較簡(jiǎn)單，公式如下

(6)

式中，i∈[1,m],j∈[1,n]；DSem(mr,mp)表示QoS數(shù)值相似度函數(shù)；mr表示服務(wù)請(qǐng)求者請(qǐng)求的QoS數(shù)值約束；mp表示服務(wù)提供者提供的QoS數(shù)值約束；rj表示服務(wù)請(qǐng)求者所請(qǐng)求的第j個(gè)QoS屬性參數(shù)的取值；qij表示第i個(gè)候選Web服務(wù)中的第j個(gè)QoS屬性參數(shù)的取值。

3 多屬性QoS匹配

矩陣M說(shuō)明如下：

(1)行表示候選Web服務(wù)，列表示每個(gè)候選Web服務(wù)的一種QoS屬性參數(shù)。

(2)Mm×n中的元素qij表示服務(wù)請(qǐng)求者請(qǐng)求的QoS屬性參數(shù)與第i個(gè)候選Web服務(wù)中的第j個(gè)QoS屬性參數(shù)相匹配的綜合相似度。

(3)元素qij作為QoS的綜合相似度是由概念語(yǔ)義綜合相似度和數(shù)值相似度共同決定的。QoS綜合相似度函數(shù)QMatch(mr,mp)為QoS語(yǔ)義綜合相似度SSem(mr,mp)與QoS數(shù)值相似度DSem(mr,mp)的聚合乘積。當(dāng)QoS語(yǔ)義可比時(shí)，數(shù)值匹配才有意義。當(dāng)QoS語(yǔ)義相似度SSem(mr,mp)不變，QoS數(shù)值相似度越大越匹配；當(dāng)QoS數(shù)值相似度DSem(mr,mp)不變，語(yǔ)義相似度越大越匹配。因此QoS綜合相似度函數(shù)如下所示

QMatch(mr,mp)=SSem(mr,mp)×DSem(mr,mp)

(7)

式中，mr表示服務(wù)請(qǐng)求者定義的QoS屬性參數(shù)；mp表示具有相同功能的候選Web服務(wù)集合中提供的QoS屬性參數(shù)。

考慮服務(wù)請(qǐng)求者的個(gè)性化需求，采用權(quán)重分配法來(lái)描述請(qǐng)求者的愿望。將所構(gòu)建的多屬性決策矩陣與服務(wù)請(qǐng)求者所設(shè)定的權(quán)重分配數(shù)值進(jìn)行相乘然后再將計(jì)算出的單個(gè)QoS屬性評(píng)價(jià)結(jié)果相加，得到Web服務(wù)綜合評(píng)價(jià)值。如評(píng)價(jià)公式(8)所示

(8)

式中，Sorce(Si)為綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，i=1,2,…,m；qij表示服務(wù)請(qǐng)求者請(qǐng)求的QoS屬性參數(shù)與第i個(gè)候選Web服務(wù)中第j個(gè)QoS屬性參數(shù)相匹配的綜合相似度；wj表示服務(wù)請(qǐng)求者對(duì)所請(qǐng)求的QoS屬性參數(shù)中第j個(gè)QoS屬性的關(guān)注程度，且滿足w1+w2+…+wn=1。第j個(gè)QoS屬性的權(quán)重wj其取值范圍在[0,1]區(qū)間內(nèi)，如果值越趨近于1，則表示服務(wù)請(qǐng)求者的個(gè)性化需求對(duì)此項(xiàng)的要求越高。

4 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

采用Protégé3.4.8構(gòu)建簡(jiǎn)單的QoS屬性本體樹(shù)；使用Jena2.6.2對(duì)本體樹(shù)中的層次進(jìn)行驗(yàn)證，如WatingTime 和ExecutionTime為ResponseTime的兩個(gè)并列子節(jié)點(diǎn)。假設(shè)用戶請(qǐng)求的Web服務(wù)r對(duì)于QoS屬性參數(shù)要求為：費(fèi)用(Price)為10元、兼容性(Compatibility)為0.12至0.20之間、吞吐率(Throughput)為11.7和響應(yīng)時(shí)間(ResponseTime)為0.8 s。具體候選QoS屬性參數(shù)如表1所示。

基于QoS綜合匹配的語(yǔ)義Web服務(wù)選擇方法過(guò)程中，兩個(gè)QoS屬性參數(shù)之間相關(guān)性的臨界距離L，本文將其設(shè)定為1。QoS語(yǔ)義匹配成功后，對(duì)相應(yīng)的QoS數(shù)值進(jìn)行匹配。

若服務(wù)請(qǐng)求者對(duì)于所請(qǐng)求的Web服務(wù)需求的權(quán)重分配為：費(fèi)用(Price)占0.4、兼容性(Compatibility)占0.1、吞吐率(Throughput) 占0.2.和響應(yīng)時(shí)間(ResponseTime)占0.3。根據(jù)用戶分配權(quán)重得出的Web服務(wù)評(píng)價(jià)結(jié)果：S1=0.759 93，S2=0.705 45，S3=0.987 90，S4=0.577 75，S5=0.449 44，S6=0.646 85，S7=0.757 47，S8=0.454 05，S9=0.618 33，S10=0.869 55?？梢?jiàn)S3為最符合該用戶需求的候選服務(wù)，S10較符合用戶要求。

表1 候選Web服務(wù)的QoS屬性參數(shù)值

若用戶權(quán)重分配依次為：0.1、0.2、0.3、0.4，則得出的評(píng)價(jià)結(jié)果：S1=0.813 28，S2=0.588 25，S3=0.981 62，S4=0.601 53，S5=0.421 00，S6=0.618 70，S7=0.748 18，S8=0.442 31，S9=0.530 62，S10=0.933 18?？梢?jiàn)S3為最符合該用戶需求的候選服務(wù)，S10較符合用戶要求。

從以上兩次用戶權(quán)重的分配來(lái)看，S3均很好的滿足了用戶的需求，這表明S3在這四個(gè)屬性中的匹配度均高于其他的服務(wù)?，F(xiàn)在人為來(lái)考慮單個(gè)屬性值在QoS數(shù)值上的相似程度。費(fèi)用數(shù)值相似程度S3>S2>S9>S10，由于S3=10恰好跟用戶需求相同所以匹配度為1；兼容性在數(shù)值上沒(méi)有擴(kuò)大范圍的候選服務(wù)有S3、S5、S8、S9，S3恰為單值數(shù)據(jù)可以看作恰好滿足了區(qū)間型數(shù)據(jù)的核；吞吐量數(shù)值相似程度S3>S10>其他服務(wù)；響應(yīng)時(shí)間需求為0.8 s可以看到S3=0.82 s，完全可以匹配用戶需求而且相較于其他服務(wù)而言為精確型單值數(shù)據(jù)。請(qǐng)求者期望所選擇的服務(wù)中QoS屬性的側(cè)重度為費(fèi)用大于其他三種屬性所占比例時(shí)，結(jié)果明顯S3從各個(gè)方面來(lái)說(shuō)是最滿足服務(wù)請(qǐng)求者需求的服務(wù)。

根據(jù)算法仿真實(shí)驗(yàn)，本文提出的方法可以有效的給用戶推薦滿足且服務(wù)質(zhì)量較高的Web服務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種多屬性QoS綜合匹配方法用于解決Web服務(wù)選擇問(wèn)題。在語(yǔ)義匹配后給出QoS數(shù)值相似度計(jì)算方法，采用去模糊化方法將異構(gòu)QoS數(shù)值參數(shù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為單值型QoS數(shù)值，解決異構(gòu)QoS參數(shù)值之間的匹配問(wèn)題。構(gòu)建多屬性決策矩陣解決QoS屬性多樣化，并考慮了服務(wù)請(qǐng)求者個(gè)性化需求。本方法側(cè)重于區(qū)間型QoS數(shù)值，對(duì)于參數(shù)值得確定人為因素影響也較大，還需要進(jìn)一步的考慮。

參 考 文 獻(xiàn)

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